http://www.geomatica.kiev.ua/training/DataCapture/GPS/chapter100.html

Вступление

Современные подходы к созданию кадастровых баз данных допускают широкое использование современных методов геодезических измеренй, в первую очередь GPS - технологий. Спутниковая радионавигационная система или, как она еще называется, глобальная система определения местоположения GPS (Global Position System) обеспечивает высокоточное определение координат и скорости объектов в любой точке земной поверхности, в любое время суток, в любую погоду, а также точное определение времени.

 

Принципы работы системы GPS и ее использование

С. Марков, КНУСА

История возникновения GPS

К началу 70-х годов оказалось, что стоявшая в то время на вооружении армии США спутниковая навигационная система TRANSIT имела существенные недостатки:

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Орбиты спников GPS

С целью преодоления этих недостатков было принято решение начать работы над созданием спутниковой навигационной системы нового поколения. Первоначально она называлась NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range), т.е. “навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения” (сейчас можно встретить двойное название: GPS-NAVSTAR). Основным назначением NAVSTAR была высокоточная навигация военных объектов. Непосредственная реализация программы началась в середине 1977 г. с запуском первого спутника. С 1983 г. система открыта для использования в гражданских целях, а с 1991 г. сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР.

  В 1993 г. система была полностью развернута. Затраты на ее реализацию превысили 15 млрд. USD. В России действует аналогичная система спутниковой навигации ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), принцип работы которой во многом подобен GPS.

 

 

Первоначально предполагалось использовать систему GPS только в навигационных целях, но исследования, проведенные учеными Массачусетского технологического института в 1976 - 1978 г.г., показали возможность геодезического применения GPS, т.е. определения координат с миллиметровой точностью. С того времени началось использование системы для выполнения геодезических измерений. Мы остановимся, в основном, на этом аспекте использования системы, хотя на практике она находит применение для решения значительно более широкого круга задач.

Общий принцип работы

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность (Рис.1). Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

Рис. 2. GPS спутник

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ (Рис.2). Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

 

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.

Рис. 3. Орбиты спутников GPS

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

В состав системы входят:

Космический сегмент

Состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах (Рис. 1). Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени (Рис. 3).

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:

Рис. 4.

Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Однако и это “тайное” стало “явным” в результате утечки секретной информации, после чего к P-коду получил доступ широкий круг специалистов. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.

Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.

Поскольку P- код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код - на одной (L1), в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.

Сегмент управления

Содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн (Рис. 5). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Рис. 5. Наземные станции слежения за спутниками

Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Аппаратура потребителей

В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:

Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.

Способы наблюдений

Сложная структура сигнала, передаваемого от ИСЗ к приемнику, обусловила многообразие способов его обработки и наблюдений.

Кодовые наблюдения реализуются в самых простых по конструкции GPS-приемниках. Из принятого со спутника сигнала частоты L1 выделяется C/A-код (тогда приемник называется одночастотным) или из частотных сигналов L1 и L2 выделяется P-код (двухчастотный приемник). Производится сравнение соответствующего кода с эталонным кодом, который генерирует сам приемник. Точность определения координат при этом составляет:

Значения точностей приведены для неблагоприятного режима измерений, когда включен режим “ограниченного доступа” SA.

Фазовые наблюдения выполняются для повышения точности измерений. В этом случае при сравнении принятого со спутника сигнала и его эталона, генерируемого в приемнике, учитывается не только код, но и фаза несущей частоты (L1 или L2). Поскольку период несущей частоты в сотни (для P-кода) и тысячи (для C/A-кода) раз меньше периодов кодовых последовательностей, точность процедуры сравнения значительно повышается, а, следовательно, возрастает точность измерения координат. Однако в этом случае возникает проблема целочисленной фазовой неоднозначности, поскольку отсутствует информация о количестве целых периодов информационного сигнала, укладывающихся на пути ИСЗ - приемник. Непосредственно можно измерить только дробную часть фазовой задержки сигнала (в пределах одного периода). Для решения этой проблемы используют несколько способов:

Источники ошибок

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

  1. Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0.6 м.
  2. Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0.6 м.
  3. Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.
  4. Многопутность распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.
  5. Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.
  6. Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.
  7. Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки. На Рис.5 приведены примеры удачного (а) и неудачного (б) геометрического положения спутников. Типичное среднее значение PDOP колеблется от 4 до 6.

Дифференциальный режим GPS

Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой - в точке с известными координатами - базовой (контрольной) станции.

 

а)

б)

Рис. 5

Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. А, следовательно, величины ошибок также будут близки. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически полностью исключить влияние режима SA и довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых - до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений. Однако современные технологические достижения позволяют одночастотным фазовым приемникам по характеристикам приблизиться к двухчастотным.

Одной из особенностей режима DGPS является необходимость передачи дифференциальных поправок от базового приемника к определяемому. При этом различают два метода корректировки информации:

  1. Метод коррекции координат, когда на станции и в определяемой точке наблюдают одни и те же ИСЗ, а затем в качестве дифференциальных поправок с базовой станции передают добавки к измеренным в определяемом пункте координатам. Недостатком этого метода является то, что приемники базового и определяемого пунктов должны работать по одному рабочему созвездию. Это неудобно, поскольку все потребители, использующие дифференциальные поправки должны работать по одним и тем же ИСЗ. В этом случае не обеспечивается наилучшее значение PDOP во всех определяемых пунктах.
  2. Метод коррекции навигационных параметров, при использовании которого на базовой станции определяются поправки к измеряемым параметрам (например, псевдодальностям) для всех спутников, которые потенциально могут быть использованы потребителями. Эти поправки передаются на определяемые пункты, где уже непосредственно в GPS - приемнике вычисляются поправки к координатам. Недостатком этого метода является повышение сложности аппаратуры потребителей.

Метод DGPS может быть использован двояко. Если необходимо вычислять координаты в режиме реального времени, то необходим надежный радиоканал для передачи дифференциальных поправок, а в состав GPS - приемника должен входить радиомодем. Если же передача поправок не выполняется, то можно использовать режим постобработки. В этом случае результаты измерений обоих приемников записываются на устройства памяти приемников (например, магнитные карты), а после прекращения измерений накопленная информация обрабатывается специальным ПО и вычисляется точное значение вектора базы.

Передача дифференциальных поправок по радиоканалу может выполняться по выделенным частотным линиям, на частотах любительских радиостанций, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM - радиостанций. Причем иногда даже нет необходимости иметь GPS - приемник на базовой станции, поскольку во многих странах уже действует развитая сеть DGPS - станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию. Например, в прибрежной зоне Северной Америки, Европы, Австралии и Новой Зеландии развернуты сети радиомаяков для морской DGPS -навигации. Американская корпорация DCI (Differential Corrections Inc.) распространяет дифференциальные поправки на всю континентальную часть США, используя для ретрансляции радиосигналов спутники связи Galaxy. Подобные сети станций действуют и на территориях многих европейских стран.

Примером подобной сети может служить шведская сеть станций DGPS, которая носит название SWEPOS. В ее состав входят 21 станция (Reference Station).

Станции равномерно разбросаны по всей территории Швеции (Рис. 6). Координаты точек земной поверхности вычисляются в системе SWEREF 93, которая является шведским вариантом EUREF 89. Система SWEREF 93 с точностью до метра совпадает с WGS 84. Кроме того, точно известны параметры перехода в национальную плановую (RT 90) и высотную (RH 70) системы координат. Система SWEPOS может использоваться как в реальном времени, так и в режиме постобработки. Для определения координат в режиме реального времени (Рис. 7,а) могут использоваться сигналы только двенадцати станций. На этих станциях (SWEPOS reference station) непрерывно производятся GPS-измерения, а их результаты передаются в центр управления (Control Centre). Полученные дифференциальные GPS- поправки передаются пользователям системы на FM – частотах через систему Epos компании Teracom (Kaknä s tower) и ретранслятор (P3 transmitter).

Рис. 6

При этом достигается точность определения плановых координат на уровне метра. Кроме того, точность зависит от типа сервиса Epos: базовый (Basic) или улучшенный (Premium). Доступ к системе SWEPOS осуществляется по подписке.

Для определения координат точек местности в режиме постобработки (Рис. 7,б) необходимо иметь данные не менее, чем четырех станций SWEPOS. При этом может быть достигнута сантиметровая точность результатов в координатной системе SWEREF 93. При этом продолжительность измерений двухчастотным приемником должна быть не менее двух часов. Вообще, точность измерений зависит от длительности измерений, типа приемника и антенны, а также программного обеспечения, используемого для обработки данных. Например, при использовании одночастотного фазового приемника можно получить метровую точность результатов при продолжительности измерений порядка нескольких минут. Данные о дифференциальных

GPS-поправках, полученные после обработки сигналов всех станций, доступны пользователям (User) спустя 4 часа после окончания измерений. Информация может быть передана с центра управления (Control Centre) через Internet или по каналам модемной связи.

а)

б)

Рис. 7.

Примером глобальной сети DGPS- поправок может служить система OmniSTAR (Рис. 8). Она использует сеть станций (1) для сбора информации об ошибках, вводимых в GPS- сигнал Министерством обороны США.

Рис. 8

Собранные данные распределяются одним из центров управления сетью (4). Всего существует 3 центра управления сетью OmniSTAR по всему миру. Оттуда данные передаются на борт к одному из семи геостационарных спутников (5), распределенных по всей земной поверхности. Далее каждый спутник передает данные о дифференциальных GPS- поправках в пределах своей области обслуживания (6). Сигналы поправок системы OmniSTAR могут быть получены через радиоканал GPS- приемником и доступны по подписке.

Сеть OmniSTAR обладает устойчивостью и избыточностью:

  1. Все станции сбора информации имеют дублированные каналы связи с соответствующим центром управления сетью;
  2. Европейский спутник использует два канала, переключение между которыми осуществляется автоматически;
  3. Европейский континент имеет два уровня обслуживания дифференциальными GPS- поправками;
  4. Формируемые системой OmniSTAR поправки не зависят от какой- либо конкретной станции;
  5. Сигнал системы OmniSTAR сигнал не подвержен влиянию гроз или электрических полей.

Работа сети непрерывно контролируется центрами управления сетью. Имеются два различных типа подписки на систему OmniSTAR: VBS (Virtual Base Station) и VRC (Virtual Reference Cell).

VBS - подписка. Внутри приемника рассчитывается оптимальная для данного положения приемника дифференциальная поправка. При этом используется информация от всех станций сбора данных. Такая методика называется технологией Виртуальной Базовой Станции (VBS). Использование VBS-подписки гарантирует суб-метровую точность в пределах большой области и обеспечивает избыточность системы. Величины поправок не зависят от сигналов какой-либо конкретной станции- выполняется интегрированная обработка сигналов от всех станций. В свою очередь, VBS- подписка подразделяется на такие типы:

VRC- подписка. Данный вид подписки является более дешевым вариантом для пользователя, постоянно работающего в пределах ограниченной территории. При этом для формирования сигналов дифференциальных поправок используются сигналы всех станций, но поправки пересчитываются не на любую точку местонахождения пользователя, а только на одну указанную пользователем точку. С удалением от этой точки точность ухудшается. Зона действия системы OmniSTAR захватывает почти всю поверхность земного шара (Рис. 9)

Рис. 9

Система подписки достаточно гибка. Для постоянных пользователей системы используется годовая подписка. Для тех, кто не использует сигнал OmniSTAR постоянно, доступны 100, 200 или 300- часовые подписки. Учет наработанного времени ведется с помощью электронного счетчика, встроенного в приемник. Для тестирования приемника пользователем при его покупке счетчик выставляется на 20 ч. Возобновление или продление подписки можно выполнить через каналы спутниковой связи.

Приемники системы OmniSTAR. Ряд DGPS приемников 3000L представляет собой результат многолетних научно-исследовательских работ (Рис. 10). Приемники выполнены по самой последней технологии. Они имеют высокий уровень интеграции и высокий уровень помехозащищенности. На рынке представлено несколько разновидностей данного ряда приемников:

3000LR - полнофункциональный приемник, помещающийся в полевой сумке. Имеет дисплей и набор кнопок для ввода команд оператора кнопки, вход антенны, входы/ выходы источника питания и интерфейса для обмена данных.

Рис.10

3000LR8 - в добавление к предыдущей модели содержит встроенный 8-канальный GPS- приемник.

3000LR12 - аналогичен 3000LR8, только имеет 12- канальный приемник.

Другим классом приемников системы OmniSTAR являются полнофункциональные модульные OEM- приемники, которые устанавливаются как блоки в составе другого оборудования (Рис. 11). Например, приемник 3000LM имеет вход антенны, входы/ выходы источника питания и интерфейса для обмена данных, а также светодиодные индикаторы состояния прибора. Другие разновидности приемников этого класса - 3000LCC и 3000LCE.

Рис. 11.

Новый приемник 7000L представляет собой полнофункциональный DGPS- приемник со встроенной антенной (Рис. 12). Он может устанавливаться на крыше автомобиля.

Рис. 12.

Приемники системы OmniSTAR позволяют выполнять настройку и управлять конфигурацией через порт ввода/вывода, т.е. система, в состав которой входит такой приемник, способна управлять им через программное обеспечение. Кроме того, через тот же самый порт может осуществляться ввод/вывод данных.

В случае, когда пользователь работает в зоне действия более, чем одного центра управления сетью, система автоматически производит необходимые переключения в соответствии с текущим положением пользователя. На участках земной поверхности, где сигнал системы резервируется, могут осуществляться автоматические переключения пользователя на резервное обслуживание, если основной сигнал передается с помехами.

В настоящее время ведутся работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана. Разработан специальный стандарт пересылки поправок DGPS, который называется RTCM SC - 104. Все производители GPS - приемников используют его для реализации дифференциального режима работы своей аппаратуры.

В геодезических приложениях нашли применение исключительно дифференциальные методы GPS - измерений, поскольку только с их использованием возможно определение координат точек местности с требуемой точностью.

Имеется несколько методов выполнения наблюдений. Выбор конкретного метода зависит от следующих факторов:

Для решения различных задач: определения точных координат отдельных точек, последовательных измерений местоположения множества точек, непрерывных координатных определений в процессе движения автомобиля и др. - в рамках DGPS- режима разработан ряд методов выполнения измерений. Эти методы отличаются технологией выполнения работ и получаемой точностью вычисления вектора базы.

Статический метод (Static Positioning)

Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

  1. для двухчастотных приемников:
    1. в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;
    2. по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;
  2. для одночастотных приемников:
    1. в плане: 5 мм + 1 мм/км * D - (при D < 10 км);
    2. 5 мм + 2 мм/км * D - (при D > 10 км);

    3. по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

Данный метод используют для решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей, мониторинга тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и др. сооружений.

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning)

Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 - 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстростатический метод (Rapid Static Positioning)

Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут - в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р- кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстростатическом режиме.

Кинематический метод “стой-иди” (Stop-and-Go Kinematic Positioning)

Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными являются следующие процедуры инициализации:

Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно посещенный определяемый пункт или вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

  1. для двухчастотных приемников (5 спутников и две эпохи (2 сек ) наблюдений):
    1. в плане: 20 мм + 1 мм/км * D;
    2. по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D;
  2. для одночастотных приемников:
    1. в плане: 20 мм + 2 мм/км * D;
    2. по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D.

Метод эффективен при выполнении топографической съемки, когда за короткое время необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization)

Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS - измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у “Stop-and-Go”. Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д.

Кинематический метод с инициализацией “на ходу” (Kinematic with On - the Fly Initialization)

Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции - эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов.

Примеры использования

Геодезия и кадастр

Технология GPS позволяет решать геодезические задачи самого разного уровня: от развития государственной геодезической сети до инвентаризации земельных участков. Практика показывает, что производительность труда возрастает при этом в десятки раз. В зависимости от требуемой точности определения координат, лимита времени на измерения, условий выполнения работ, применяются GPS-приемники различных типов, однако все они работают в дифференциальном режиме и являются фазовыми (за исключением, может быть, некоторых задач ГИС (Геоинформационных систем), где достаточно точности кодового приемника). Основные характеристики некоторых геодезических приемников представлены в табл. 1. Наибольшее распространение на территории СНГ получила фазовая одночастотная (L1) аппаратура, поскольку она, с одной стороны, в 2-5 раз дешевле двухчастотной, а, с другой стороны, обеспечивает точность, достаточную для решения большинства практических задач. Вот некоторые примеры использования GPS- технологий в геодезии.

Национальное управление Франции CNASEA проводит работы по созданию кадастра бывшей французской колонии Майотте. Необходимые измерения на территории 375 кв. км были выполнены за 15 дней с использованием GPS- приемников PathFinder Pro XR фирмы Trimble. При применении традиционных геодезические методов на это потребовалось бы около 15 лет.

Специалисты АО “ЗапУралТИСИЗ” использовали приемники 4000ST фирмы Trimble для проведения работ по развитию геодезической сети в г. Уфа. Бригада из двух человек построила триангуляцию из 15 пунктов за 5 дней, тогда как при использовании существующих методов геодезических измерений такую же работу выполняет бригада из пяти человек за 2 недели.

Диспетчерские службы

Очень широкое распространение в мире получили системы автоматического определения координат движущихся объектов на основе GPS или системы GPS/AVL (Automatic Vehicle Location). С их помощью на современном уровне решаются задачи диспетчеризации транспортного парка. Каждый автомобиль оснащается GPS- приемником и радиосвязным оборудованием, обеспечивающим передачу информации на диспетчерский пункт. На экране монитора диспетчера с использованием программного обеспечения ГИС формируется электронная карта территории, которая обслуживается транспортными средствами. Данные о координатах и скорости движения автомобилей, полученные по радиоканалу, позволяют отобразить их текущее положение на этой карте. Помимо координатной информации по радиосвязной линии могут передаваться сигналы различных датчиков, установленных на автомобиле и другая информация. Возможности системы:

  1. Диспетчер отслеживает в реальном времени перемещения всех автомобилей.
  2. На электронной карте выделяются зоны, при попадании автомобилей в которые подается сигнал диспетчеру.
  3. При отклонениях автомобилей от заданного маршрута у диспетчера срабатывает сигнализация.
  4. С диспетчерского пульта контролируется состояние датчиков, установленных на каждой подвижной единице: топливных, температурных, несанкционированного вскрытия контейнеров, переворачивания автомобиля, включения “мигалки” и т.д.
  5. Стандартные сообщения водителя могут быть запрограммированы так, что при нажатии соответствующей кнопки в автомобиле к диспетчеру поступает информация типа: “пробка на дороге”, “попал в аварию”, “задержан милицией”, “нападение”, “захват”. Эти сообщения при необходимости легко кодируются и могут использоваться в случаях, когда надо соблюдать режим радиомолчания.
  6. По команде с диспетчерского пункта блокируется система зажигания, двери салона автомобиля и контейнера.
  7. В кабине автомобиля может быть установлен специальный бортовой компьютер, работающий в режиме терминала. Кроме текстовых сообщений между водителем и диспетчером передаются специальные формы (накладные, маршрутные листы и пр.).
  8. Моделирующие возможности ГИС диспетчера позволяют оптимизировать маршруты доставки грузов с учетом различных факторов.

Некоторые примеры использования GPS/AVL систем приведены ниже.

Компания SonyMobileComm разработала GPS/AVL систему NVX-F160 с программным обеспечением EtakGuide. Автомобили оборудованы 8-канальными GPS- приемниками, которые опрашиваются с частотой 1 Гц. Карты 48 штатов территории США, схемы 32 главных американских дорог, планы 1000 парков и 5000 мест отдыха записаны на прилагаемом компакт-диске. Фирмы TeleAtlas и Philips Car Systems подписали соглашение о совместном производстве подобных компакт-дисков с цифровыми картами различных территорий.

Система Priority One (разработка американской фирмы Greenfield Associates), кроме стандартных AVL- функций, обеспечивает водителю приоритетный проезд через самые сложные участки дорог в пределах города. Для определения оптимального пути движения используется информация о координатах и скорости автомобиля, а также возможных альтернативных маршрутах и загруженности перекрестков. Установленный на автомобиле 12-канальный GPS- приемник фирмы Canadian Marconi обеспечивает в дифференциальном режиме точность определения координат не хуже 5 м.

Диспетчерские GPS- системы используются в службе инкассации ИНКОМБАНКа (г. Москва), некоторых управлениях МВД России и Казахстана, специальном техническом управлении МЧС России.

ГИС-приложения

Навряд ли найдется более быстрый способ определения координат множества точек на земной поверхности, чем с помощью GPS-приемника. Можно установить его антенну на крышу автомобиля и за сравнительно короткий срок уточнить расположение дорожной сети на карте. Причем получаемая информация может быть непосредственно введена в ГИС и показана на цифровой карте. Не случайно GPS-технология очень широко используется для целей ГИС.

Фирмой Trimble выпускается портативный plag-and-play GPS-приемник в стандартном формате PC-card. Приемник смонтирован в PCMCIA-карте и соединен с малогабаритной антенной (диаметр около 6 см). Антенна имеет магнитное крепление и может быть легко установлена на крышу автомобиля. Программное обеспечение Direct GPS позволяет сразу же вводить координатную информацию в цифровую карту ГИС ArcView и отображать текущее положение автомобиля на экране портативного компьютера, к которому подсоединен приемник. Это оборудование очень популярно среди американских любителей автомобильных путешествий.

Навигация

Еще на заре эры применения GPS-приемников для целей воздушной навигации были получены потрясающие результаты: более точное следование заданному маршруту полета, которое обеспечивалось использованием GPS-навигации, давало экономию топлива в десятки млн. USD в год на каждый самолет.

Известны примеры использование DGPS для реализации систем “слепой посадки” самолетов. Отклонение самолета от осевой линии ВПП не превышало 10 - 30 см. Причем, если сейчас системы, обеспечивающие надежную посадку в условиях плохой видимости, очень дороги (их могут себе позволить только крупные аэропорты), то стоимость подобной системы на основе DGPS будет по карману даже самым маленьким аэродромам. Такие системы, вероятно, давно бы стали стандартными во всем мире, если бы не непредсказуемое поведение Министерства обороны США в области GPS. Обнадеживающим является заявление американских властей о снятии с 2000 г. ограничений на использование GPS-сигналов. Кроме того, сейчас ведутся активные работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана (скорее всего, Украина также примет в этом участие). Предусматривается развертывание в околоземном пространстве системы низкоорбитальных и геостационарных ИСЗ, которые позволят выдавать точные параметры орбит GPS-спутников и вычислять дифференциальные поправки. На поверхности Земли также будет действовать сеть станций для ретрансляции поправок в пределах всей европейской территории.

GPS-приемники используются для навигации морских судов, занимающихся ловлей лангустов у западного побережья Австралии (в 1995 г. общий объем промысла составил около 240 млн. USD). Годовая лицензия на одну ловушку стоит 15 тыс. USD, а каждый хозяин судна имеет их не менее 100. Бортовые GPS-приемники работают в дифференциальном режиме, причем для выдачи поправок используется система из 10 базовых станций (9 находятся на территории Австралии и 1 - в Новой Зеландии). Экономия топлива за счет меньших отклонений от маршрута только в течение одного сезона составляет около 10 тыс. USD. В некоторых случаях, когда теряются маркерные буи или ловушка отцепляется от троса, только точная DGPS-навигация позволяет успешно завершить поиски ловушек.

Немецкая фирма STN Atlas Elektronik GmbH разработала систему определения расположения контейнеров в порту Дубаи. Мобильные GPS-приемники серии 4000 фирмы Trimble установлены на автопогрузчиках. В башне управления портом располагается диспетчерская станция, которая осуществляет радиосвязь с погрузчиками в диапазоне УКВ. Кроме того, на каждом автопогрузчике установлен “процессор положения”, служащий для хранения и обработки информации о всех контейнерах. Высота и положение контейнера в пространстве определяется ультразвуковыми датчиками. Таким образом, на базе технологий GPS “интеллектуализируются” даже такие рутинные погрузочно-разгрузочные работы, обеспечивается оптимальное размещение контейнеров в порту.

Проблемы

В условиях Украины существуют проблемы реализации GPS- технологий. При покупке GPS- систем должны учитываться следующие моменты:
  1. Практически все работы, которые могут выполняться с использованием GPS, подлежат лицензированию (Постановление Кабинета Министров Украины № 1075 от 13.07.98).
  2. При реализации DGPS в режиме реального времени необходимо получить разрешение на использование соответствующей частоты радиодиапазона для передачи дифференциальных поправок. Лицензирование одной частоты, как известно, у нас стоит около 5 тыс. USD. Спутниковые каналы связи обходятся еще дороже. Можно, конечно, использовать любительские частотные каналы, однако при этом снижается качество передачи, что может сказаться на точности измерений.
  3. Некоторые западные фирмы продают GPS- приемники со встроенной аппаратурой передачи дифференциальных поправок, частоты которой фиксированы. Вполне возможно, что эти частоты у нас уже заняты, поэтому такой приемник не сможет реализовать DGPS- режим в реальном времени.
  4. В Украине значительное количество радиоаппаратуры различного назначения вещает в диапазоне частот L1 и L2, поэтому выполнение GPS- измерений в районах действия этой аппаратуры будет затруднено.

Перспективы использования GPS

Уже начиная с 1993 года различные государственные и научные организации США ведут исследования касательно перспектив использования GPS. В результате в 1993 г. был выпущен совместный документ Министерства обороны (МО) США и Министерства транспорта (МТ) США “Использование GPS для решения военных и гражданских задач”. В документе подчеркивается:

В исследование вопросов перспектив использования GPS включились также Национальная Академия государственного управления (NAPA - National Academy of Public Administration) и Национальный совет по научным исследованиям (NRC - National Research Council). Первая организация изучала политические вопросы использования GPS, а вторая - технические. По заказу Конгресса США были выработаны соответствующие рекомендации.

Основные рекомендации NAPA:

     

    Направления развития системы для военных пользователей:

     

    Направления развития системы для коммерческих и иных применений:

    Сигналы новых модификаций спутников класса Block II-R будут моделироваться третьей частотой L3;
    Информация об орбитах спутников будет корректироваться более часто, что повысит точность навигационных определений. Предполагается снятие 48-часового эмбарго на распространение информации о точных орбитах;
    Сеть наземных станций слежения будет расширена. Эти станции разместятся на авиабазах МО США либо на базах Топографической службы МО США (DMA).
Администрация Б.Клинтона 29 марта 1996 года выступила со специальным заявлением о перспективах развития GPS. В ближайшее время будут сделаны следующие шаги по совершенствованию этой системы:
  1. На протяжении следующего десятилетия будут сняты все военные ограничения на использование GPS. Вместо этого планируется разработать другие меры защиты национальных интересов США в отношении применения GPS (пока неизвестно, какие).
  2. Предполагается увеличить в 4 раза капиталовложения в систему и довести годовой оборот рынка GPS- оборудования до 8 млрд. дол. Это позволит к 2000 году создать только в США около 100 тыс. дополнительных рабочих мест.
  3. Даже простейшие бытовые GPS- приемники уже в недалеком будущем обеспечат возможность определения местоположения с точностью 1 м.

Литература

  1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1992.
  2. Болдин В.А. Современные глобальные радионавигационные системы зарубежных стран. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1985.
  3. Глобальна система визначення місцеположення (GPS). Теорія і практика / Гофманн -Велленгоф Б., Ліхтенеггер Г., Коллінз Д. / Пер. з англ. під ред. Яцківа Я.С..- Київ: Наук. думка, 1995.
  4. Неумывакин Ю.К., Перский М.И. Геодезическое обеспечение землеустроительных и кадастровых работ. Справочное пособие.- М.: Картгеоцентр - Геоиздат, 1996.
  5. Шебшаевич В.С., Григорьев В.С., Кокина Э.Г. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы // Зарубежная радиоэлектроника - 1989.- №1.- с. 5 - 45.

 

Информация в INTERNET по вопросам GPS:

http://www.utexas.edu/depts/grg/gcraft/notes/gps/gps.html - описание принципа работы системы на сервере Техасского университета (США);

http://www.dgps.com/ - сервер с информацией по дифференциальному режиму работы GPS;

http://www.unb.ca/GGE/ - сервер университета New Brunswick (Канада) со ссылками на ресурсы по GPS.

Приложение: Основные технические характеристики некоторых GPS- приемников

Табл.1

Название прибора

Фирма (страна)

Точность опред. Расстояний (статич. реж.)

Рабочие частоты

Количество каналов

Ориент. Цена, USD

4600 LS Surveyor

Trimble Navigation (США)

5 мм + 1 мм/км

L1

8 - 12

7,500

Land Surveyor Si

Trimble Navigation (США)

5 мм + 1 мм/км

L1

9 - 12

18,900

4000 SSE Geodetic Surveyor

Trimble Navigation (США)

5 мм + 1 мм/км

L1, L2

9 - 12

33,000

SR 261

Leica AG (Швейцария)

5 мм + 2 мм/км

L1

6

18,000

Geotracer 2100

Geotronics AB (Швеция)

5 мм + 1 мм/км

L1

12

13,000

GePoS RS 12

Carl Zeiss GMBH (Германия)

5 мм + 1 мм/км

L1

12

8,600

GSSR1A

Sokkia (Япония)

5 мм + 2 мм/км

L1

8

7,300

 

О некоторых вопросах применения GPS-технологий для построения геодезических сетей

К. Нурутдинов, Национальная обсерватория Украины

 

Реферат

В работе описываются методика и технология проведения и обработки GPS-наблюдений, привязки GPS-пункта к системам координат WGS-84, EUREF. Описывается методика трансформации координат между системами координат СК ПЗ-90 - СК-42 - WGS-84 - EURЕF. Приводятся рекомендации по размещению GPS пунктов.

Областью применения результатов работы являются навигация, геодезия, геодинамика, создание географических информационных систем.

Значимость работы состоит в актуальной необходимости создания в Украине национальной и локальных GPS-сетей с целью решения задач навигации, геодезии и выполнения привязки этой сети к общеевропейской системе координат EUREF.

Выводом работы является следующее: желательно вновь создаваемые сети привязывать к фундаментальной и постоянной геодинамической сети Украины. Это поможет привязать новые сети к системам координат ITRF и EUREF. Для получения максимальной точности определения координат сети необходимо использовать точные орбиты спутников. Необходимо следовать определенным критериям выбора места для размещения GPS-пунктов.

Прогнозы возможности развития объекта исследования следующие. Реализация результатов работы будет способствовать внедрению GPS технологии, что положительно скажется на эффективности (по точности, необходимому времени, экономии финансов) решения широкого круга практических и научных задач. С точки зрения практических и научных нужд важно, чтобы все эти работы выполнялись в унифицированной системе координат (EUREF, WGS-84).

СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА, GPS-ПУНКТ, СИСТЕМА КООРДИНАТ, СК-42, EUREF, WGS-84, ITRF.

Перечень условних сокращений и терминов

BIH - Bureau International de l’Heure, Paris

CERCO - Comite Europeen des Responsables de la Cartographie Officielle

CODE - Center Of Orbit Determination, Institute of Astronomy, Bern, Switzerland

ETRF - European Terrestrial Reference Frame (Европейская Земная Система Отсчета)

EUREF - European Reference Frame (Европейская Система Отсчета)

GIS - Geographical Informational System (Географическая Информационная Система)

GPS - Global Positioning System (Глобальная Система Определения Положений)

DGPS - Differential GPS (Дифференциальная GPS)

IERS - International Earth Rotation Service (Международная Служба Вращения Земли)

IAG - International Association of Geodesy (Международная Геодезическая Ассоциация)

IfAG - Institute of Applied Geodesy (Institute fur Angewandte Geodasie),

Frankfurt-am-Meine, Federal Republic of Germany.

IGS - International Geodynamics GPS Survey (Международная геодинамическая GPS

служба)

ITRF - International Terrestrial Reference Frame (Международная Земная Система Отсчета)

LIS - Land Informational System (Земельно-информационные системы)

LLR - Lunar Laser Ranging (Лазерная Дальнометрия Луны)

SLR - Satellite Laser Ranging (Спутниковая Лазерная Дальнометрия)

VLBI - Very Long Baseline Interferometry (Радиоинтерферометрия со Сверхдлинными

Базами)

WEGE

NER-MEDLAS - Workshop of European Geoscientists for the Establishment of

Networks for Earthquake Research - Mediterranean Laser Project

WGS - World Geodetic System (Всемирная Геодезическая Система Координат)

 

1. Материалы к методике и технологии привязки локальной сети GPS-станций к системам координат WGS-84, EUREF, СК-42

1.1. Cуть и улучшение мировой геодезической системы отсчета WGS-84

Мировая геодезическая система отсчета 1984 года (WGS-84) является четвертой из серии глобальных геоцентрических систем координат, созданных Министерством обороны (DoD) США, начиная с 1960 года.

Глобальные системы координат широко используются в геодезии, картографии и навигации. Они обеспечивают взаимную привязку различных локальных и региональных систем отсчета (геодезических дат). Замена множества локальных систем отсчета (CО) единой глобальной СО существенно упростило бы практическое использование карт, снимков и другой геодезической продукции. Традиционно в геодезии различают локальные плановые координаты и локальные высотные координаты.

Военно-топографическое агенство США (DMA) выполнило преобразование около 100 локальных СО к WGS-84. С этой целью DMA выполнило локальную привязку многих геодезических реперов к соответствующим реперам, координаты которых были определены по наблюдениям. Сначала это были наблюдения спутников системы TRANSIT, а в последнее время - системы GPS.

Что касается локальных координат высот, то они основаны на различных определениях уровня моря. До сих пор нет единой мировой системы отсчета высот, способной связать эти локальные высотные координаты.

Исходное определение и реализация WGS-84 удовлетворяют требованиям DoD к картографированию территорий и геодезическим требованиям. Точность плановых координат в этой системе, равная 1-2 м, была более чем, достаточной для крупномасштабного картографирования. Точность высот зависела от того, как были определены превышения. Если для этой цели использовалось нивелирование I-го класса, высоты определялись очень точно (до см) по отношению к локальному уровню моря. При нивелировании превышения оценивались по высотам по отношению к эллипсоиду WGS-84, и использовались высоты геоида, определенные по модели WGS геоида.

Точность определения высот геоида WGS составляет около 2-6 м, что соответствует 3-10 м для 90% уровня значимости.

Для карт масштаба 1:20000 или меньше эта точность удовлетворительна, а для карт более крупного масштаба - нет. По этому очевидно, что основным источником ошибок являются ошибки модели геоида.

Задание и реализация WGS-84 основывались на наблюдениях начала 80-х годов. C тех пор появились спутники GPS системы и многие исследователи предложили новые методы определения местоположения, точность которых существенно превышала точность WGS-84. Исследования, проведенные в DoD, показали, что, благодаря уточнению WGS-84, можно существенно уточнить методику определения орбит спутников GPS. Это особенно важно для тех пользователей GPS, которые применяют недифференциональный метод GPS (в частности, для DoD).

В 1993-1994 гг. появились новые требования к точности WGS-84 со стороны геодезических пользователей GPS. Было признано, что создание точной сети геодезических контрольных станций поможет решению задачи удовлетворения этим требованиям. По этой причине DMA систематизировала все требования к увеличению точности WGS-84 и в середине 1993 года осуществила специальную программу, имеющую целью улучшение WGS-84.

Исходные требования к точности уточненной системы были на уровне дециметров. В июне 1994 г. была введена новая версия WGS-84, обозначаемая как WGS-84 (G730). В этой версии используются уточненные координаты пунктов слежения МО США за спутниками GPS, что привело к согласию системы кординат WGS-84 с системой ITRF на уровне 10 см. DMA также приступила к работе по уточнению модели гравитационного поля Земли и геоида. Разработана краткосрочная и долгосрочная стратегия, которая обеспечивает максимальное улучшение WGS-84 и минимизирует соответствующие расходы на ее выполнение.

1.2. Европейская система координат EUREF

В данном разделе приведем оценку современного состояния создания унифицированной системы координат EUREF в Европе.

Согласно [1], необходимость создания единой системы координат в Европе возникла как результат сотрудничества входящих в ее состав стран в экономической и военной сферах. Все возрастающий спрос на карты, на которых отображались бы территории разных стран, дал толчок для организации единой геодезической основы для создания систем пространственной информации о местности (GIS/LIS), совместных ледовых, морских и авиационных навигационных систем. Унифицированные системы координат стали также необходимы для проведения исследований региональной и глобальной геодинамики (движение континентов, прогноз землетрясений). После второй мировой войны в Западной Европе была введена система ED’50 (European Datum 1950), а в 1987 году введена геоцентрическая система ED’87 (European Datum 1987), определенная на основе наземных и спутниковых наблюдений. Однако, обе эти системы не отвечали современным требованиям, особенно в части глобальной точности, возможности определения трехмерных координат и ориентации.

Во время работы конференции Международного союза геодезии и геофизики в Ванкувере (Канада, 1987 г.) возникла концепция введения унифицированной системы координат EUREF для всех стран Западной Европы. Тогда была создана подкомиссия Международной геодезической ассоциации (IAG Subcomission) EUREF. Эту инициативу поддержала европейская организация CERCO, которая в сентябре 1987 г. создала рабочую группу по GPS “Working Group VIII on GPS” и поручила руководство созданием системы EUREF Институту прикладной геодезии во Франкфурте-на-Майне (IFAG, Германия). Подкомиссия EUREF и VIII рабочая группа CERCO совместно отработали концепцию системы EUREF. Было принято, что система EUREF должна основываться на методе GPS и опираться на выбранные основные спутниковые станции, которые задают всемирную систему координат ITRF. Кроме того, EUREF должна была отвечать таким требованиям:

- представлять геоцентрическую систему отсчета для любых высокоточных геодезических и геодинамических проектов на территории Европы;

- быть точной системой отсчета, очень близкой к WGS-84, и использоваться как для решения задач геодезии, так и задач всех типов навигации (на земле, на море, в воздухе) на территории Европы;

- быть единой на территории всей Европы современной системой отсчета для создания многонациональных цифровых картографических баз данных, которые не могут больше основываться на очень большом количестве совершенно разных национальных систем координат (геодезических координат), применяемых в Европе.

ITRF, глобальная земная система отсчета IERS, является практической реализацией условной земной системы кординат. Она является геоцентричной благодаря тому, что построена на LLR, SLR и GPS наблюдениях. Недостатком ITRF есть то, что она изменяется со временем. IERS дает определения (координат и скоростей их изменений) ITRF на эпоху каждого года. В то же время Центральное бюро IERS дает параметры трансформации для последовательных эпох ITRF. Вследствие наличия временных изменений координат в ITRF, что составляет до 2 см/год для Центральной Европы, Подкомиссия EUREF и VIII рабочая группа CERCO решили выбрать около 35 европейских пунктов SLR и VLBI из сети ITRF-89, координаты которых на эпоху 1989.0 и определят систему координат ETRF-89 (European Terrestrial Reference Frame 1989 р.). Семь параметров трансформации от систем ITRF разных эпох к системе ETRF-89 поставляются IERS. Считается, что система ETRF должна быть как можно более близкой (с точностью до 1 м) к спутниковой всемирной геодезической системе WGS-84. При использовании этих систем в навигации такая точность необязательна, но для точных геодезических и геодинамических измерений параметры трансформации систем должны определяться постоянно на основе GPS наблюдений.

Система координат ETRF-89, по определению, вращается вместе со стабильной частью территории Европы, а связи между станциями остаются неизменными. Вследствие этого ETRF-89 является удобной для выполнения практических геодезических и картографических работ в Европе. Недостатком системы является ее вращение относительно системы ITRF (до нескольких сантиметров за год), что усложняет ее применение для работ в таких областях, как спутниковая геодезия, физическая геодезия и геодинамика. Поэтому необходимо регулярное определение (один раз в десять лет, по истечении которых Европа провернется на несколько дециметров) параметров преобразования между системами ETRF и WGS-84. При этом следует иметь в виду, что ITRF согласуется с WGS-84 на уровне около 1 м, что для большинства задач навигации такие малые различия несущественны, а использование данных с нескольких постоянных GPS-пунктов на территории Европы позволяет легко и непрерывно определять точные параметры преобразования между ETRF и WGS-84. Преобразование же национальных координат требует наличия минимум трех, а лучше 6-8 идентичных пунктов с координатами в обеих системах координат (национальной и ETRF).

В 1989 г. начата практическая реализация системы EUREF. Каркасом системы стали восемь постоянно действующих станций SLR, пять аналогичных станций VLBI, 11 станций SLR геодинамической программы WEGENER-MEDLAS и шесть передвижных станций VLBI, размещенных в Северной Европе. Для сгущения этой системы были организованы две первые наблюдательные кампании EUREF [2]. Пункты сгущения были выбраны из соображений, чтобы на территории каждой страны находилось не менее трех пунктов сгущения EUREF, и чтобы расстояние между этими пунктами не превышало 300-500 км. В этих кампаниях (16-21 и 23-28 мая 1989 г.) участвовало 69 приемников GPS. Было также заложено 92 пункта (Норвегия - 7, Финляндия - 4, Швеция - 4, Дания - 4, Великобритания - 6, Ирландия - 3, Германия (ФРГ) - 12, Голландия - 4, Бельгия - 3, Франция - 8, Швейцария - 4, Италия - 10, Испания - 14, Португалия - 2, Греция - 4).

Результаты обработки наблюдений были доложены в марте 1992 г. на конференции в г.Берн. Вычисления показали, что пункты SLR и VLBI были определены с ошибками 13-23 мм, тогда как пункты сгущения сети EUREF - с ошибкой 40 мм для положения в горизонтальной плоскости и 60 мм по высоте. На деле точность определения пунктов сгущения была значительно выше - около 10 мм, зато на пяти пунктах были получены значительно большие ошибки, что и привело к ухудшению общих результатов. Кроме того, следует учесть, что тогда на орбите было лишь 7 спутников вместо 24. В 1991 году вышел список окончательных координат пунктов, и он был принят в качестве текущей реализации системы ETRF под именем EUREF-89. Точность системы координат была оценена на уровне 3-4 см.

Согласно [1, 3], в последующие годы было организовано около двух десятков кампаний сгущения, и к 1997 году система отсчета EUREF распостранилась почти на всю Европу, за исключением Албании, Белоруссии, Боснии, Сербии, Молдавии и России. Повторяемость координат, полученных из обработки данных последних кампаний, составляла в среднем 1-7 мм. Координатором и соисполнителем большинства этих работ был Институт прикладной геодезии во Франкфурте-на-Майне.

Из вышесказанного видим, что мировые тенденции создания национальных геодезических сетей и унифицированных систем координат состоят в использовании системы GPS и в сотрудничестве геодезистов разных стран при выполнении как GPS-наблюдений, так и их обработки.

С 1992 года по май 1995 года рекомендовалось привязывать национальные сети EUREF к окружающим пунктам SLR/VLBI и EUREF. Эта методика оказалась не очень подходящей, поскольку имели место ситуации, когда таким образом выбранные опорные пункты имели координаты и скорости менее точные, чем могли бы обеспечить современные GPS-наблюдения. Поэтому теперь рекомендуется [3] привязывать сети наблюдательных кампаний EUREF к окружающим пунктам сети IGS, включая для контроля в обработку и наблюдения на соседних пунктах EUREF. Выработана также новая стратегия обработки наблюдений, а именно:

Преобразование в систему ETRS89 эпохи 1989.0 выполняется следующим образом [4]:

X(SO)=X(S1) + T(S1) + R*X(S1)*dt

где X(SO) - координаты в системе ETRS89 эпохи 1989.0,

X(S1) - координаты в ITRFxx на эпоху наблюдений 19yy.y,

T(S1) - смещения T1, T2, T3, основанные на глобальном преобразовании от ITRFxx к ITRF89, включая масштаб длины,

R - поворот (не поворот сети) обратно к эпохе 1989.0 вследствие движения европейской плиты согласно модели тектоники плит NNr-NUVEL (IERS Technical Note 13), или с использованием индивидуальных значений скоростей движения станций (IERS Annual Report 19xx,

dt - разность эпох в годах (19yy.y - 1989.0).

В 1995 г. была создана европейская сеть постоянных GPS-пунктов, включающая в себя в настоящее время 54 пункта EUREF. Данные с них ежедневно после полуночи пересылаются в центр данных IGS в IFAG. Девять вычислительных центров ведут ежедневную обработку наблюдений, выдавая результат уже на следующий день после проведения суточного сеанса наблюдений. Каждую неделю центр CODE в Берне собирает различные результаты и получает комбинированное решение, основанное на данных IGS.

С 19 по 24 июня 1995 в Украине была проведена наблюдательная GPS-кампания EUREF-Ukraine-95. Актуальность проведения кампании и получение в результате обработки этих наблюдений координат пунктов фундаментальной GPS-сети состояла в том, что успешное выполнение этих заданий дало бы возможность Украине, хоть и с запозданием по сравнению с другими странами Восточной Европы, присоединиться к системе EUREF.

1.3. Преобразование систем координат

Картезианская (прямоугольная пространственная) земная система отсчета привязана к телу Земли и задается началом системы кординат, направлениями ее осей. Для получения геодезических координат систему дополняют параметрами опорного эллипсоида, образуя таким образом геодезические координаты. Глобальные, региональные и локальные системы отсчета могут иметь различные геодезические координаты. Вследствие этого возникают задачи взаимного пребразования систем координат. Например, параметры точных орбит спутников публикуются службой IGS в сети ИНТЕРНЕТ в системе координат ITRF, а передаваемые с борта GPS спутника грубые параметры орбит задаются в системе WGS-84. Это приводит к некоторым нюансам методики обработки GPS наблюдений. В Украине используются региональные системы координат СК-42 и СК-63, тогда как координаты векторов баз получаются из обработки GPS данных в системе WGS-84. Необходимы процедуры нахождения параметров преобразования между системами отсчета.

Для преобразования координат пункта из одной системы отсчета в другую чаще всего применяют семь параметров Гельмерта. Координаты пунктов из обработки GPS наблюдений получаются первоначально в системе WGS-84 средней эпохи дат наблюдений. IERS публикует ежегодно координаты пунктов системы ITRF-xx, где xx - год реализации земной системы координат ITRF. Встает задача пересчета координат системы WGS-84 эпохи даты в систему координат ITRF-xx эпохи 19xx.0 либо наоборот. Она решается следующим образом. Координаты (x,y,z) пункта (точнее, выбранной геодезической марки на пункте) эпохи 19xx.0 преобразуются из системы ITRF-xx в систему WGS-84 по формуле

,

где - координаты начала системы координат ITRF-xx в системе WGS-84,

m - масштабный параметр, - углы поворотов (угол отсчитывается по часовой стрелке, если смотреть по направлению к началу правосторонней системы координат) системы ITRF-xx как целого относительно ее соответствующих осей до достижения их параллельности с осями системы WGS-84. Указанные семь параметров носят название параметров Гельмерта.

Далее координаты пункта преобразуются с эпохи t0 = 19xx.0 в нужную нам среднюю эпоху наблюдений t = 19yy.y . Для этого используется формула

,

где

- - компоненты скорости тектонического движения станции наблюдений,

- t, t0 - средняя эпоха наблюдений и эпоха задания координат соответственно,

- - искомые координаты пункта на среднюю эпоху наблюдений 19yy.y в системе WGS-84.

Следует отметить, что благодаря малости углов поворота между системами ITRF-xx и WGS-84 можно считать, что компоненты скорости движения станций имеют в WGS-84 те же значения, что и в ITRF-xx. Для выполнения обратного преобразования достаточно поменять на противоположные знаки параметров Гельмерта.

По таким же формулам при использовании соответствующих параметров Гельмерта выполняются преобразования между какими-либо другими системами отсчета.

В таблице 1.1 приведены примеры значений параметров Гельмерта [6, 8, 9, 10], а в таблице 1.2 - параметры некоторых референц-эллипсоидов [6, 7].

Таблица 1.1 Параметры Гельмерта перехода между некоторыми системами координат

Tx , м

Ty ,

м

Tz ,

м

m * 10-6

Rx ,

угл.сек

Ry ,

угл.сек

Rz ,

угл.сек

ITRF-93 к WGS-84:

0.074

-0.500

-0.238

-0.0105

+0.01869

-0.00110

+0.00796

ПЗ-90 к CК-42 [9]:

-26.6

134.8

77.3

0.06

0.17

0.39

0.83

ПЗ-90 к WGS-84 [9]:

-0.3± 0.6

2.2± 0.7

1.0± 0.6

-0.06± 0.09

-0.049± 0.03

-0.01± 0.02

-0.07± 0.02

ПЗ-90 к WGS-84 [6]:

0

0

1.5

0

0

0

-0.076

ПЗ-90 к WGS-84 [10]:

0

0

4

0

0

0

-0.6

 

 

Таблица 1.2 Параметры некоторых референц-эллипсоидов

Система координат

Референц-эллипсоид

Большая полуось, м

Обратное сжатие

ITRF-93

GRS-80

6 378 137

298.257 222 101

WGS-84

WGS-84

6 378 137

298.257 223 563

СК-42

Красовского

6 378 245

298.300

ПЗ-90

 

6 378 136

298.257 839 303

Используемая в России система геодезических параметров Земли ПЗ-90 имеет составной частью космическую геодезическую сеть, состоящую из 26 пунктов на территории бывшего СССР и построенную по результатам фотографических, доплеровских, радиодальномерных, лазерных и альтиметрических наблюдений геодезического спутника ГеоИК. Использовались также дальномерные наблюдения ИСЗ ГЛОНАСС и ЭТАЛОН. Система ПЗ-90 является координатной основой в спутниковой навигационной системе ГЛОНАСС. Геоцентричность начала системы координат ПЗ-90 оценивается средней квадратической ошибкой » 1 м [9, c.15]. Для навигационных целей системы координат ПЗ-90 и WGS-84 можно считать совпадающими [9, c.16]. В последние время в России создана и внедряется система координат СК-95.

2. Методика и технология привязки сети опорных пунктов к системам координат WGS-84, EUREF, CK-42

Для получения с помощью GPS метода координат определяемых пунктов в локальных системах СК-42 или СК-63 необходимо вначале создать сеть опорных GPS пунктов (ОП), координаты которых известны как в системе WGS-84, так и в системе СК-42 (СК-63). Взаимные координаты ОП в системе WGS-84 необходимо получить на сантиметровом уровне точности. Затем выполняется сгущение созданной сети путем добавления новых, определяемых, пунктов. Координаты определяемых пунктов вычисляются вначале относительно опорных пунктов в системе WGS-84, а затем преобразуются в локальную систему.

В данном разделе приводится информация о методике привязки сети опорных пунктов к системе координат WGS-84 и EUREF, а также получения кординат определяемых пунктов в локальной системе координат. Задача распадается на четыре этапа - выбор мест расположений GPS пунктов, проведение наблюдений, определение координат пунктов в системе WGS-84 из обработки наблюдений, преобразование координат определяемых пунктов из системы WGS-84 в локальную систему координат.

Именно технологии GPS и ГЛОНАСС являются в настоящее время самыми эффективными при решении задачи привязки различных систем координат. Можно сказать еще о методе длиннобазисной радиоинтерферометрии (РСДБ), обеспечивающем независимое определение координат пунктов. К сожалению, на территории Украины имеется лишь один пункт РСДБ (Симеиз), потому невозможно выполнять определения параметров преобразования без привлечения наблюдений с двух зарубежных РСДБ пунктов. Что касается метода спутниковой лазерной дальнометрии, то в Украине лазерное оборудование лишь пунктов в Кацивели и Симеизе способно обеспечить сантиметровый уровень точности определения координат.

Технология привязки сети ОП к WGS-84 или к EUREF зависит также от того, какая используется навигационная система - GPS или ГЛОНАСС. При использовании GPS системы и соответствующего программного обеспечения положения пунктов получаются сразу в системе координат WGS-84. Для получения координат в системе EUREF можно воспользоваться параметрами преобразования Гельмерта между системами координат WGS-84 и EUREF, которые можно найти в публикациях IERS. Если же используется система ГЛОНАСС, то координаты вычисляются в системе ПЗ-90, не совпадающей с WGS-84.

Геодезическая система координат определяется параметрами референц-эллипсоида, положением центра и ориентацией осей эллипсоида. В общем случае, референц-эллипсоиды различных систем координат могут иметь различные значения больших полуосей и сжатий, быть взаимно смещенными и повернутыми. Для перехода от одной системы координат к другой следует выполнить трехмерное преобразование координат. Для определения семи параметров трехмерного преобразования Гельмерта необходимо, чтобы координаты минимум трех пунктов, называемых опорными (контрольными), были известны в обеих системах отсчета.

В качестве опорных пунктов можно брать пункты фундаментальной или геодинамической GPS сетей Украины.

2.1. Фундаментальная и геодинамическая GPS сети Украины

Для привязки сети ОП к системам координат WGS-84 и EUREF можно использовать координаты пунктов фундаментальной GPS сети Украины (см. рис.3.1), равномерно размещенных по территории Украины на расстояниях 200 - 400 км друг от друга.

Предварительные координаты такой сети были вычислены, в частности, в 1996 году в Украинском аэрогеодезическом предприятии (г. Киев) путем обработки GPS-наблюдений, полученных во время выполнения наблюдательной кампании EUREF-UKRAINE-95 (19-24 июня 1995 г). Целью кампании было получение GPS-наблюдений для создания фундаментальной GPS сети в Украине и привязки этой сети к Европейской опорной GPS сети - EUREF.

Для обеспечения возможности перехода из системы координат WGS-84 в систему координат EUREF были запланированы синхронные наблюдения на пунктах, имеющих координаты в системе EUREF, за пределами Украины: в Латвии, Литве, Турции - по одному пункту; в Польше, Болгарии, Румынии - по два пункта; в Венгрии - два или три пункта.

На рис.2.1 приводится схема сети, в которой были выполнены GPS-наблюдения во время кампании EUREF-UKR-95. На всех пунктах применялись монументы с наземными марками. При выполнении работ применялись 16 двухчастотных GPS-приемников типа TRIMBLE 4000 SSE, GPS-антенны 4000ST L1/L2 GEODETIС или “COMPACT L1/L2 with groundplane” (с отражателем). Следует сказать, что к запланированной сети из 15 пунктов было добавлено еще два пункта - Киев-А и Базис (в Шепетовке). Пункт Киев-А был добавлен благодаря наличию дополнительного GPS-приемника, привезенного немецкими коллегами, а пункт Базис был создан из-за невозможности продолжать наблюдения на пункте Шепетовка по организационным причинам.

Пункты сети находятся на таких территориях:

К сожалению, по организационным причинам не удалось выполнить все запланированные наблюдения.

В работе [5] приводится каталог пунктов, образующих международную земную систему координат ITRF-93. В данном каталоге имеются координаты наземной марки А пункта Симеиз, имеющие точность 4 - 5 см по разным компонентам. Эта марка привязана к точке отсчета мобильной лазерной станции, доставленной из Германии на короткий срок для проведения наблюдений спутников в 1991 году. На этой же марке находился GPS приемник во время проведения GPS кампании EUREF-UKRAINE-95. Координаты марки А из каталога были взяты в качестве исходных координат для построения GPS сети. Предварительно значения координат марки А епохи 1993.0 были преобразованы из системы ITRF-93 в систему WGS-84 эпохи 1995.474 (22 июня 1995 года - середина периода проведения кампании EUREF-UKRAINE-95) с помощью семи параметров Гельмерта. В процессе обработки векторов баз координаты марки А пункта Симеиз были переданы на остальные пункты сети, а после было выполнено полусвободное (координаты пункта Симеиз фиксировались) уравнивание сети.

Результатом уравнивания сети стали координаты 17 пунктов фундаментальной GPS сети на территории Украины в системах координат WGS-84 и ITRF-93. При использовании неточных орбит спутников взаимные положения пунктов сети были определены на уровне 2-5 см. При этом для периметров величиной 600-1300 км ошибки замыкания треугольников составили 1-20 см, что для относительной ошибки эквивалентно (0.2-12)*10-8 . При использовании точных орбит, судя по результатам проведенного эксперимента, возможно получить миллиметровый уровень точности определения длин баз.

Недостатком указанных значений координат пунктов фундаментальной сети является то, что в процессе передачи координат пункта Симеиз на другие пункты и уравнивания сеть могла развернуться относительно пункта Симеиз, а значит, и относительно систем координат EUREF и WGS-84. Трудно оценить величину такого поворота, не привлекая наблюдательной информации с пунктов, находящихся на территориях стран - соседей Украины, и координаты которых уже известны в системе EUREF. По оценкам авторов обработок наблюдений кампании EUREF-UKR-95, отличия полученных координат от истинных в системе EUREF могут достигать дециметрового уровня. Для исправления ситуации необходимо выполнить новую обработку наблюдений кампании с привлечением наблюдений с зарубежных станций и с использованием точных орбит GPS спутников.

Рис. 2.1 Схема сети кампании EUREF-UKRAINE-95

Для привязки сети ОП к системам координат WGS-84 и EUREF можно использовать и координаты пунктов геодинамической GPS сети Украины, создание которой будет завершено в 1999 г. Предполагается, что сеть будет состоять из пяти GPS приемников Trimble 4000SSi, размещенных в гг. Киев, Ужгород, Евпатория, Харьков, Симеиз. Наблюдения будут выполняться круглосуточно с интервалом записи данных 30 секунд. Результаты наблюдений будут размещаться в сети ИНТЕРНЕТ в формате RINEX. Пункт в Киеве был введен в действие в начале декабря 1997 г., пункт в Ужгороде - в феврале 1999 г.

Геодинамическая сеть Украины является частью сети IGS, координаты GPS пунктов которой известны в системе ITRF с точностью 1-3 см.

2.2 Выбор места расположения GPS пункта и выполнение наблюдений

При выборе пункта следует руководствоваться следующими положениями:

Для обеспечения необходимой точности определения координат пункта необходимо следовать некоторым правилам конфигурирования создаваемой сети и опорных пунктов. Как уже отмечалось, необходимо иметь минимум три опорных пункта для выполнения полноценного уравнивания в требуемой системе координат. Чем большая территория охватывается сетью, тем больше должно быть опорных пунктов. Если есть подозрение, что координаты опорного пункта ошибочны, также следует добавить опорные пункты. Чем больше опорных пунктов, тем больше избыточность, и тем легче выполнить проверку качества решения. Желательно, чтобы количество опорных пунктов составляло не менее 10 % от общего количества пунктов в сети. На карте выберите область, содержащую опорные пункты и КС. Проведите линии север-юг и восток-запад (см. рис.2.2). Вы должны получить четыре равных квадранта. Каждый из трех опорных пунктов должен находиться на или вне области, охватывающей опорные станции.

Каждый опорный пункт должен быть связан вектором базы, по меньшей мере, с тремя пунктами сети. При этом необходимо выполнить минимум два независимых наблюдения (различные сессии) каждого из таких векторов. Тем самым обеспечивается хорошая избыточность наблюдений. Каждый третий определяемый пункт должен иметь минимум три независимых вектора базы.

Рис. 2.2. Размещение пунктов сети (метод квадрантов)

Если сеть образует ход или коридор, два опорных пункта должны быть размещены на каждом краю области сети, а третий опорный пункт - посередине хода (см. рис.2.3). Каждый опорный пункт должен быть связан вектором базы, по меньшей мере, с двумя пунктами хода, причем с ближайшими. Лучше иметь побольше таких наиболее коротких векторов. Три вектора к каждому опорному пункту дадут достаточно информации для поиска плохих данных. Каждый определяемый пункт должен иметь минимум два независимых вектора базы.

Рис. 2.3. Размещение пунктов сети (метод коридора)

При конфигурировании сети старайтесь делать так, чтобы она содержала внутри себя замкнутые геометрические фигуры, содержащие менее восьми векторов. Причем эти векторы не должны принадлежать одной сессии. Такие фигуры можно проверить на ошибку замыкания.

Для получения субсантиметровой точности координат вектора необходимо провести наблюдения в статическом режиме в течение минимум 1 - 2 часов, а лучше всего - в течение 24 часов. Наблюдения необходимо затем повторить, чтобы обеспечить избыточность и независимость данных для уравнивания. При этом необходимо наблюдать минимум на четырех пунктах - на трех опорных и на одном определяемом. Следует помнить, что одночастотные приемники можно использовать лишь на базах длиной до 10-15 км (ночью - до 100 км).

2.3 Вычисление и преобразование координат GPS пунктов

После выполнения наблюдений их необходимо обработать с помощью специальных программ постобработки. На Западе имеется около двух десятков коммерческих программ (стоимостью от 2 до 10 тыс. долларов США), позволяющих вычислять вектора баз и выполнять уравнивание пространственных сетей. При использовании параметров орбит, передаваемых с борта GPS спутника, точность определения компонент вектора базы в настоящее время составляет величину 5 мм + 1 мм/км * L, где L - длина вектора базы в км. Для получения субсантиметровой точности координат вектора базы необходимо использовать точные орбиты GPS спутников. В таком случае даже для баз длиной в несколько сот километров можно получить ошибки замыкания (невязки), составляющие миллиметры и даже доли миллиметров по компонентам векторов баз. Тем самым, уравнивая сеть, построенную из таких векторов, можно получить миллиметровый уровень точности взаимных (относительных) положений пунктов в системе WGS-84.

Программы обработки GPS наблюдений позволяют вычислять векторы баз вначале в системе WGS-84. При этом координаты одного пункта (исходного) в системе WGS-84 следует передать на все остальные пункты. В качестве таких координат следует брать наиболее точные имеющиеся координаты. В настоящее время для получения таковых необходимо выполнить привязку опорных пунктов к пунктам фундаментальной GPS сети Украины или же к пунктам геодинамической сети Украины, являющейся частью глобальной геодинамической сети IGS. Тем самым будет обеспечен сантиметровый уровень точности абсолютных координат опорных пунктов и вычисления будут вестись в истинной системе WGS-84.

Если такую привязку выполнить невозможно, то в качестве исходных можно взять координаты пункта, являющиеся результатом навигационного решения. Тем самым вычисления будут вестись в локальной системе WGS-84, поскольку точность таких координат при наличии режима выборочного доступа (SA) составляет 100 м (с вероятностью 98 %) в плане. Но следует иметь в виду, что использование таких координат приводит к появлению систематической ошибки определения компонент вектора базы. Кроме того, алгоритмы некоторых программ обработки GPS наблюдений (например, GePoS фирмы Карл Цейс) требуют, чтобы координаты исходного пункта были точнее одного метра. В противном случае неоднозначности фаз будут определяться с большими ошибками, что приведет к ошибкам определения векторов баз.

После вычисления векторов баз они комбинируются в требуемую сеть пунктов, и выполняется свободное уравнивание сети. При этом обычно фиксируют WGS координаты одного исходного пункта (являющегося одновременно и опорным). Свободное уравнивание позволяет выявить ошибочные векторы.

Далее, для получения координат определяемых пунктов в локальной системе координат (СК-42 или СК-63) можно идти двумя путями.

По первому из них выполняются пересчет векторов на эллипсоид локальной системы координат (эллипсоид Красовского) и уравнивание с наложением условий, а именно, с фиксированием плановых координат трех опорных пунктов и высот четырех опорных пунктов, если интересуют плановые координаты и высоты определяемых пунктов в локальной системе координат, или же с фиксированием плановых координат двух опорных пунктов и высот трех опорных пунктов, если интересуют лишь плановые координаты определяемых пунктов в локальной системе координат. При этом параметры преобразования от WGS-84 к локальной системе и координаты определяемых пунктов в локальной системе определяются совместно. Локальные координаты определяемых пунктов фактически вычисляются относительно локальных координат зафиксированных опорных пунктов путем интерполяции между координатами зафиксированных опорных точек с использованием измеренных векторов и поэтому принадлежат к той же системе отсчета, что и опорные пункты.

Второй путь таков. После свободного уравнивания всей сети в системе координат WGS-84 с помощью специальных программ вычисляются параметры преобразования Гельмерта (если они не были известны заранее), при этом используются лишь данные о координатах опорных пунктов в двух системах координат (WGS-84 и локальной). Затем на основе этих параметров и с помощью специальной программы значения координат определяемых пунктов перевычисляются из системы WGS-84 в локальную систему координат.

Точность абсолютных координат определяемых пунктов в локальной системе координат и точность определения параметров преобразования Гельмерта будут зависеть, в главной мере, от точности абсолютных локальных координат опорных пунктов, фиксируемых в процессе уравнивания сети. Она составляет 1 - 3 см для ITRF.

Поскольку координаты пунктов, определяемые методом GPS, получаются в системе WGS-84, для получения их в системе СК-42 или СК-63, используемым в Украине, следует вычислить параметры преобразования Гельмерта. Для этого необходимо иметь каталожные координаты опорных пунктов в системе СК-42 или СК-63. К сожалению, эти координаты были получены классическими методами геодезии и дают точность вектора базы на уровне 5 - 10 см. Тем самым, возможности GPS метода не используются полностью, и параметры преобразования Гельмерта будут определены с такого же уровня ошибками.

В настоящее время отсутствуют точные параметры преобразования между государственной системой СК-42, российской системой координат СК-95 и всемирной геодезической системой WGS-84. Во многих государствах, наряду с местными системами отсчета, определены точные параметры перехода из системы WGS-84. Опубликованные значения параметров связи СК-42 и WGS-84 [6] являются средними для территории России и не могут применяться для территории Украины. Точность их определения составляет 2 - 5 м.

Выход видится во введении в практику работы всех служб и организаций новой системы координат, построенной с помощью космических методов.

Выводы и рекомендации

Необходимо вновь создаваемые GPS сети привязывать к фундаментальной или к постоянной геодинамической GPS сетям Украины. Это поможет привязать новые сети к системам координат ITRF, WGS и EUREF. Для получения максимальной точности определения координат сети необходимо использовать точные орбиты спутников. Необходимо следовать определенным критериям выбора места для размещения GPS-пунктов.

Литература